Автореферат: Технология возведения каркасных зданий с вертикальными несущими конструкциями из трубобетонных элементов

Четвертая глава посвящена разработке организационно-технологической модели возведения многоэтажных каркасных зданий с колоннами из трубобетонных элементов на базе выполненного экспериментально-аналитического комплекса исследований.

Обеспечение совместной работы стальной оболочки, бетонного ядра и элементов перекрытия достигнуто путем сопряжения трубобетонных колонн при помощи соединительных гильз, которые изготавливаются из металлической трубы, меньшего диаметра по сравнению с оболочкой колонны и имеют внутренние П-образные отгибы стенки или иную анкерную систему. Гильзы изготавливаются в заводских условиях и устанавливаются во внутреннюю часть оболочек, закрепляются при помощи сварного соединения.

Таким образом, разработанные конструктивно-технологические решения позволяют создать систему «оболочка» - «ядро», при которой передача нагрузки от перекрытий на бетонное ядро осуществляется через специальные устройства (анкеры).

Конструкция соединительной гильзы предусматривает возможность устройства как балочного, так и безбалочного перекрытия, а также при изменении диаметра колонн (рис. 6).

Рис. 6. Конструкции соединительных гильз

а - для поярусного сопряжения колонн и устройства балочных перекрытий; б - то же безбалочных; в - для соединения колонн разного диаметра; 1 - соединительная гильза; 2 - конусность; 3 - прорези стенки; 4 - внутренние отгибы; 5 - цилиндрический пояс; 6 - подкос; 7 - опорный «воротник»; 8 - ребра жесткости, объединяющие верхнюю и нижнюю части гильзы.

При балочном перекрытии, внутренние отгибы стенки гильзы одновременно выступают в роли опорных элементов для балок, распределяющих нагрузку от перекрытия на бетонное ядро. Для безбалочных перекрытий, соединительная гильза вместо устройства внутренних отгибов может оснащаться цилиндрическими и лепестковыми анкерами.

В результате экспериментально-аналитических исследований установлено, что устройство П-образных отгибов стенки соединительной гильзы является наиболее рациональным решением, чем ее оснащение отдельными цилиндрическими анкерами. Их устройство требует дополнительных трудозатрат на изготовление и установку, а также менее эффективны при больших диаметрах колонн.

Разработана технология одноцикличной укладки бетонной смеси, заключающаяся в первоначальном бетонировании всех стальных оболочек до отметки верха плиты перекрытия и без перерыва на набор прочности - перекрытия. Это позволяет увеличить площадь технологических захваток, более рационально использовать бетононасосный транспорт при непрерывной подаче бетонной смеси и сократить продолжительность возведения несущих конструкций типового этажа.

Для интенсификации процесса производства бетонных работ в летних условиях необходимо обеспечивать скоростной набор прочности бетона перекрытий, поскольку данная конструкция является определяющей темпа возведения каркаса здания. С этой целью целесообразно осуществлять дополнительный прогрев бетона до t=40...45^оС при помощи греющих проводов с требуемой удельной мощностью 140-160Вт/м² и шагом 200-230мм, расположенных в одном уровне плиты. При соответствующем уходе за бетоном достигается 70% набор прочности за 2 суток, а использование средств переопирания позволяет сократить продолжительность выдерживания на 2...2,5 суток.

Организационно-технологическая модель возведения каркаса осуществляется по двум технологическим схемам:

1 - с разбивкой этажа на технологические захватки, обеспечивающие поточность производства работ;

2 - по однозахватной схеме на площадь этажа.

Принимается во внимание то обстоятельство, что в одном и другом случаях, нагрузка от зон, примыкающих к трубобетонным колоннам, воспринимается оболочкой. В случае использования балочных перекрытий, технологическая нагрузка возрастает с увеличением пролета балок. К моменту заполнения бетонной смесью получается единая пространственная опалубочная система вертикальных и горизонтальных элементов.

По первой схеме процесс возведения каркаса начинается с установки монтажных элементов (стальных оболочек, оснащенных соединительными гильзами) в проектное положение. Далее устраивается опалубка и армирование безбалочных перекрытий. В случае использования балочных перекрытий, технологическая последовательность состоит в монтаже балок, укладке несъемной опалубки из профилированного настила, основного и дополнительного армирования. Сокращение технологических операций за счет отсутствия армирования колонн и сложных сопряжений с перекрытиями приводит к снижению продолжительности подготовительного цикла. Бетонирование захваток типового этажа осуществляется непрерывно со скоростью подачи смеси 8...12м³/ч.

По второй технологической схеме выполняется непрерывный процесс последовательного возведения этажей. При достижении прочности бетона перекрытия 1,5...2,0МПа осуществляется монтаж оболочек колонн последующего этажа, опалубки перекрытия, армирование и последующая укладка бетонной смеси. Демонтаж опалубки нижележащего этажа осуществляется после набора прочности не менее 50% с использованием стоек переопирания и 60% при пролете превышающем 8м. За счет непрерывности процессов достигается дополнительное снижение продолжительности работ по возведению типового этажа на 15-20%.

Пример производства работ по возведению несущих конструкций каркаса здания с одноцикличной укладкой бетонной смеси проиллюстрирован на рис.7 технологическими схемами.

Рис. 7. Технологические схемы возведения несущих конструкций каркаса здания с колоннами из трубобетона

I - установка монтажного элемента в проектное положение; II - выверка, временное и постоянное крепление стальной оболочки колонны, оснащенной соединительной гильзой; III - монтаж дополнительного армирования с укладкой на опорный «воротник» и последующее армирование перекрытия; IV - укладка бетонной смеси в стальные оболочки колонн; V - бетонирование перекрытия; 1 - монтажный элемент; 2 - стальная оболочка колонны; 3 - соединительная гильза; 4 - фиксирующие болты; 5 - монтажные подкосы; 6 - опалубочная система перекрытия; 7 - дополнительное армирование зон сопряжений колонн с перекрытиями; 8 - арматура перекрытия.

Сопоставительный анализ технологии возведения традиционным способом и с использованием трубобетонных конструкций для 47 этажного административного комплекса «Миракс-Плаза» в период положительных температур показал, что продолжительность возведения несущих конструкций типового этажа снижается на 3 суток. Основные технико-экономические показатели сопоставления приведены в сводной таблице 4.

Использование высокопрочных бетонов обеспечивает ранние сроки набора прочности, что создает предпосылки совмещения технологических процессов монтажа оболочек, устройства опалубочных систем и армирования вышележащего этажа.

Таблица 4 Сводная таблица сопоставления технологий возведения несущих конструкций типового этажа здания «Миракс-Плаза»

Пятая глава посвящена исследованию ускоренных методов твердения в условиях отрицательных температур наружного воздуха.

В результате анализа методов зимнего бетонирования наиболее эффективным выделен конвективный обогрев, обеспечивающий одновременный прогрев металлических оболочек и опалубочной системы перекрытия. Создание требуемого температурно-влажностного режима осуществляется за счет нагнетания горячего воздуха теплогенераторами. Высокая теплопроводность стальных оболочек и подъем горячих воздушных потоков за линию стратификации обеспечивает предварительный отогрев опалубочных систем, бетонирование и термообработку конструкций в одном цикле.

С целью интенсификации набора прочности, были определены режимы термообработки бетона и выполнены аналитические исследования по формированию тепловых полей по толщине плиты перекрытия.

Согласно проведенным расчетам, бетон, заключенный в стальную оболочку колонны, находится в температурных условиях твердения близких к окружающей среде с продолжительностью, обеспечивающей набор критической прочности бетона ядра регламентированной СНиП 3.03.01-87.

Решена задача по оценке тепловых полей при выдерживании бетона перекрытий в следующей постановке: Дана неограниченная пластина толщиной R, внешняя поверхность которой имеет тепловую изоляцию, а к нижней подводится постоянной тепловой поток q=const. Теплообмен между внешней поверхностью пластины и окружающей средой задается с помощью граничных условий третьего рода. Температура среды, окружающей внешнюю поверхность пластины, принимается постоянной и равной Т_о, а распределение температуры по нижней поверхности пластины Т_с равномерное.

Требуется определить значения температурных полей по толщине пластины в любой момент времени.

В неограниченной пластине ее ширина и длина достаточно велики по сравнению с толщиной, а учитывая значительный коэффициент теплопроводности, можно пренебречь перепадом температуры в этих направлениях. Следовательно, температура представляет собой функцию одной пространственной координаты и соответствует одномерному температурному полю.

Распространение тепла описывается выражением (3), или в одномерном случае дифференциальным уравнением теплопроводности (4)

где - время, - координата в направлении по толщине перекрытия, - удельная теплоемкость, - теплопроводность бетона, - оператор Лапласа.

Решение таких уравнений производится с помощью преобразования Лапласа

применив это преобразование находим

где, теплопроводность материала считаем независимой от координаты, а температуру в нулевой момент времени больше нуля.

Решение уравнения (6) с учетом граничного условия (7)

имеет вид

где R - толщина перекрытия, - температуропроводность, а - некоторая функция, определяемая граничным условием на нагреваемой поверхности перекрытия

Применив к выражению (8) обратное преобразование Лапласа найдем решение уравнения теплопроводности

где - некоторое вещественное число, - мнимая единица Условия на нагреваемой поверхности

Аналитическое решение выражается в достаточно сложных терминах и с практической точки зрения более удобным представляется решение численным методом.

Нахождение решения численным методом позволяет уточнить задачу, с учетом, например, зависимости теплоемкости или теплопроводности от температуры или от фазового состояния бетона (например, от степени завершенности процесса гидратации цемента).

Уравнение (4) в случае использования дискретной временной и пространственной сеток примет вид

где при , при , - параметр схемы.

При решении данного уравнения необходимо учитывать несколько стадий теплопроводности перекрытия: для бетона находящегося в пластическом состоянии и когда он имеет установившуюся структуру.

Записав алгоритм решения задачи в виде исходного текста программы на языке программирования Си, получены результаты расчета температурных полей для железобетонного перекрытия толщиной R=250мм с теплоизоляцией открытой поверхности эффективным упруго-пластичным рулонным теплоизоляционным материалом - этафомом с теплопроводностью 0,032 Вт/м/К и толщиной 10 мм.